כלוב פאראדיי

המחשה של כלוב פאראדיי

הדגמה של כלוב פאראדיי

כלוב פאראדיי (באנגלית: Faraday cage) הוא מתקן שמונע משדות חשמליים מלחדור לתוכו. הפיזיקאי הניסיוני הבריטי מייקל פאראדיי היה הראשון שבנה כלוב שכזה ב-1836.

פאראדיי הבין כי כל מה שנמצא בחלל הפנימי המוקף לגמרי במוליך יהיה "מוגן" מהשפעתם של שדות אלקטרומגנטיים מחוץ למוליך (כתוצאה מחוק גאוס, השדה החשמלי בתוך מוליך מתאפס). פאראדיי בנה חדר המצופה ביריעות אלומיניום ומיקם בתוכו אלקטרוסקופ. המכשיר הוסיף למדוד מטען חשמלי אפסי בתוך החדר גם כשקירותיו הופגזו במטענים שחולל פאראדיי.

הפיזיקאי האיטלקי ג'ובאני בטיסטה בקריה חזה עוד במאה ה-18 את שפאראדיי הצליח להוכיח.

עקרון פעולה - תיאור פיזיקלי

ניתן להבין את פעולתו של כלוב פאראדיי אם נתאר לעצמנו שהשדה החיצוני גורם להיווצרותו של התפלגות מטען במעטפת הכלוב אשר יוצרת שדה חשמלי זהה בגודלו והפוך בכיוונו לשדה החיצוני. שני השדות מבטלים האחד את השני.

מקרה אידיאלי

עקרון הפעולה הפיזיקלי של כלוב פאראדיי ניתן לתיאור על ידי מערכת של מוליך אידיאלי סגור וחלול, החוסם נפח ריק מחומר ובפרט ממטען חשמלי. בחומר מוליך נושאי המטען (לרוב אלקטרונים) חופשיים לנוע, ולכן כל התפלגות מטען בו - כתוצאה משדה חיצוני כלשהו בסביבתו - תיווצר אך ורק על שפת המוליך. במילים אחרות - לא תיתכן צפיפות מטען נפחית במוליך.

לכן, מחוק גאוס נובע כי השדה החשמלי במוליך חייב להתאפס: ${\vec {E}}_{cond}=0$. לפיכך, הפוטנציאל החשמלי במוליך הוא קבוע. כמו כן, בנפח החסום מתקיימת משוואת לפלס: $\nabla ^{2}\varphi =0$. פתרון המשוואה עבור תנאי השפה שמקנה המוליך (בעל הפוטנציאל הקבוע) הוא: הפוטנציאל בנפח החסום קבוע גם הוא, ושווה לזה במוליך.

מכאן, לפי הקשר: ${\vec {E}}=-\nabla \varphi$, השדה בתוך הנפח מתאפס, ללא קשר לשדה החיצוני בסביבה החיצונית של המוליך.

מקרה כללי

"כלוב" פאראדיי - מתקן ייעודי להדגמת התופעה

עבור כל מקרה מורכב יותר (לא אידיאלי) ההתנהגות האיכותית של התופעה נשמרת, אך נוצרים אי-דיוקים בתופעות המתוארות במקרה הפשוט. בפרט, כתוצאה מכך ניתן לעיתים למדוד בכל זאת השפעה של שדה חיצוני בתוך החלל העטוף על ידי המוליך.

כך למשל, תיאור התופעה עבור קיום של גל אלקטרומגנטי בסביבת המוליך נשמר באופן איכותי, אך "בידוד" הכלוב תלוי מאוד במספר גורמים - העיקריים בהם הם ההתנגדות החשמלית של המוליך, עוביו, קיום "חורים" במעטפת שהוא יוצר וגודלם (ביחס לסדר גודל אורך הגל). מסיבה זו, ניתן לעיתים לקלוט ולשדר מידע ממכשיר סלולרי בתוך מעלית (אם כי האיכות ירודה לרוב, בדיוק בשל תופעה זאת).

שימושים

• תנור מיקרוגל מכיל רשת מוליכה סביב תא החימום, כדי למנוע מגלי המיקרוגל הנוצרים בו "לזלוג" לחלל החדר.
• תוצר לוואי של מיסוך קליטה למכשיר סלולרי בתוך מעלית, העשויה לרוב ממתכת מוליכה.
• חלל הנוסעים במכונית עטוף בפח ובשלדת פלדה מוליכים (במידת מה), ולכן ניתן למצוא את אנטנת הרדיו מחוץ לחלל הרכב.
• "כלוב" פאראדיי: מתקן ייעודי להדגמת התופעה, בו אדם עומד בכלוב הבנוי מרשת מתכתית מוליכה. בסביבת הכלוב מופעל מתח חשמלי גבוה מאוד, היוצר מעין "ברק" הפוגע בכלוב, אך למרות הזרם החשמלי הגבוה הקיים בסביבתו - האדם שבתוך הכלוב מוגן לחלוטין ואינו מרגיש כלום (ראו סרטון בראש הערך "הדגמה של כלוב פאראדיי").
• כלי תעופה כמטוס או טיל שיגור, מוגנים על ידי תכנון גופם ככלוב פאראדיי, כדי למנוע כשל מערכות במקרה של מכת ברק.
• ישנה חליפת מתכת (נקראת חליפת voltrex) שניתן ללבוש המשמשת מעין "כלוב פאראדיי", ואז ניתן לעשות פעלולים עם חשמל.

ראו גם

• הארקה
• כליא ברק

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא כלוב פאראדיי בוויקישיתוף

• ד"ר אבי סאייג, איך לחסום קרינת סלולר ורדיו? - כלוב פאראדיי, באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
• הדגמה של כלוב פאראדיי בהרצאה באוניברסיטת בון, באתר יוטיוב